mối quan hệ giữa vi sinh vật với nguồn dinh dưỡng cacbon như thế nào? sự phân giải các hợp chất cacbon của vi sinh vật, ứng dụng của ngành vi sinh vật học trong cuộc sống chúng ta?

Ngay cả focmon là một hoá chất diệt khuẩn rất mạnh nhưng cũng có nhóm nấm sợi sử dụng làm thức ăn.Vậy mối quan hệ giữa vi sinh vật với nguồn dinh dưỡng cacbon như thế nào ?,sự phân giải

Lời Mở Đầu

Trên thế giới hầu như không có hợp chất cacbon hữu cơ nào mà không bị hoặc nhóm vi sinh vật này hoặc nhóm vi sinh vật khác phân giải Không ít vi sinh vật có thể đồng hóa được cả các hợp chất cacbon rất bền vững như cao su, chất dẻo, dầu mỏ, parafin, khí thiên nhiên Ngay cả focmon là một hoá chất diệt khuẩn rất mạnh nhưng cũng có nhóm nấm sợi sử dụng làm thức ăn.Vậy mối quan hệ giữa vi sinh vật với nguồn dinh dưỡng cacbon như thế nào ?,sự phân giải các hợp chất cacbon của vi sinh vật,ứng dụng của ngành vi sinh vật học trong cuộc sống chúng ta ? nhóm chúng em xin thực hiện đề tài tiểu luận trên để làm rõ thêm

NỘI DUNG

I)Tổng quan

II) Các quá trình phân giải chính.

2.1).Cơ chế của quá trình oxi hóa

2.2)Vi sinh vật sử dụng hợp chất cacbo

III)Ứng Dụng trong thực tiễn

3.1.Lên men trong sản xuất bia và rượu vang

3.2.Lên men nước hoa quả

3.3.Lên men bánh mì

3.4.Quá trình lên men pectin nhờ vi khuẩn

3.5.Ứng dụng trong lên men acid acetic

3.6.Lên men metan

3.7.Lên men Butyric trong sản xuất sữa chua

IV)Tác động đối với cuộc sống

I)Tổng quan:

Sự phân giải các hợp chất 2 cacbon và 1 cacbon nhờ vi sinh vật là những vi sinh vật cókhả năng sử dụng và phân hủy các hợp chất cacbon chứa 1C và 2C, và tạo ra sản phẩmtương ứng, giải phóng CO2 và H2O trả lại môi trường

Các quá trình phân hủy,đồng hóa,lên men… hay sử dụng các hợp chất này làmnguồn dinh dưỡng đều có vai trò quan trọng từ sự tham gia của nhóm vi sinh vật

II)Các quá trình phân giải chính:

2.1).Cơ chế của quá trình oxi hóa:

Nhờ vi sinh vật các hợp chất 2 cacbon mang những tính chất rất đặc biệt Axetat và các hợp chất sih ra nó(etanol) có thể trực tiếp tham gia vào chu trình Krebs trong dạng (axetyl – CoA) và sau đó có thể oxi hóa 1 cách triệt để Các hợp chất 2 cacbon có mức độoxi hóa cao hơn axetat (như glicolat và glixin) không trực tiếp tham gia vào chu trình Krebs Nhiều vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các hợp chất này thành glioxilat sau đó chất này mới được oxi hóa hoàn toàn thông qua chu trình Krebs :

Tại peroxyxom acid glicolic bị oxy hoá bởi O2 thành acid glioxilic nhờ enzyme glicolat oxidase H2O2 là sản phẩm thứ hai của phản ứng oxy hoá này sẽ bị phân huỷ bởi catalasethành H2O và O2 Tiếp theo là phản ứng amin hoá hay chuyển vị amin để tạo glyxin từacid glioxilic, glyxin được chuyển và ty thể.

-Tại ty thể: tại ty thể 2 glyxin tạo ra xerin nhờ xúc tác của enzime kép - glycindecacboxylaza và serin hydroxylmetyl transferase Serin lại biến đổi thành acid glyoxilic

để chuyển sang lục lạp

Trong chu trình này glioxilat dưới tác dụng cảu malat sintaza sẽ phản ứng với exetyl –CoA và làm sinh ra axit malic Axit malic được oxi hóa thành axit axalaxetic, sau đó tiếp tục oxi hóa thành piruvat và CO2 thông qua giai đoạn photphoenolpiruvat trung gian Piruvat về sau được chuyển hóa thành exetyl – CoA NDA dạng khử xuất hiện trong quá

trình oxi hóa này sẽ được oxi hóa bởi oxi phân tử và năng lượng sinh ra sẽ được tích lũy lại trong phân tử ATP Vi sinh vật cũng có thể oxi hóa glixin theo con đường khác gọi là con đường β-oxiaspactat nhờ vi khuẩn phản nitrat hóa Micrococcus denitrificans có thể chuyển hóa glicoxilat thành glixin Glixin sẽ ngưng tụ với 1 phân tử glioxilat khác để tạo thành eritro-β-oxiaspactat Chất này sẽ bị khử nước sinh ra NH3 và axit axaloaxetic (H.L Kornberg, 1963).

2.2)Vi sinh vật sử dụng hợp chất cacbon:

 Trực khuẩn Pseudomonas oxalaticus có khả năng sử dụng axalat nguồn cacbon duy nhất Cơ chế của quá trình này có thể tóm tắt như sau:

Oxalat + Xucxinyl – CoA  Oxalyl – CoA + XucxinatOxalyl – CoA  Focmyl – CoA + CO2

Focmyl – Xucxinat  Focmiat + Xucxinyl – CoA

 Vi khuẩn Pseudomonas methanica có khả năng sử dụng một số hợp chất 1 cacbon làm nguồn thức ăn cacbon và nguồn năng lượng duy nhất Đây là loài vi khuẩn có thể phân giải được hợp chất 1C.Quá trình oxi hóa các hợp chất 1 cacbon thành CO2 hay còn gọi là quá trình phân giải CH4 được tiến hành theo các phản ứng tuần tự như sau:

CH4  CH3OH  HCHO  HCOOH  CO2Metan Metanol focmanl-dehit axit focmic

 Một số vi sinh vật có khả năng đồng hóa metyl amin Chất này đầu tiên được chuyển hóa thành metanol sau đó được oxi hóa tiếp tới CO2

III)Ứng Dụng trong thực tiễn:

3.1.Lên men trong sản xuất bia và rượu vang:

Sơ đồ sản xuất bia Trong sản xuất bia nấm men giữu vai trò chuyển đường thành C2H5OH và tạo ra các mùi vị đặc trưng cho sản phẩm, tùy vào loại nấm men mà tạo ra các mùi, vị khác nhau Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2

Chuyển hóa đường trong điều kiện không có ôxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra êtanol và cacbon điôxít CO2

Saccharomyces cerevisiae

Sơ đồ sản xuất rượu vang nho

3.2.Lên men nước hoa quả:

Sơ đồ sản xuất nước quả lên men

Tác nhân lên men:

Tác nhân chính của quá trình lên men là nấm men Saccharomyces cerevisiae Dựa vào đặc tính của quá trình lên men mà nấm men được chia làm 2 dạng chính:

- Nấm men nổi: Gây ra sự lên men nổi, lên men ở nhiệt độ cao từ 20 - 28oC Quá trình lên men nhanh tạo thành nhiều bọt do tác dụng thoát khí CO2 nhiều nên trong thời gian lên men, nấm men nổi trên mặt hoặc lơ lửng trong dịch lên men và chỉ lắng xuống đáy thành một lớp xốp khi quá trình lên men kết thúc

- Nấm men chìm: Quá trình lên men chậm ở nhiệt độ 5 - 10 oC, CO2 thoát ra ít trong quá trình lên men, nấm men ở đáy thùng lên men

Phương trình tổng quát như sau:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 27Kcal

Nấm men phát triển tốt trong môi trường hiếu khí nhưng gặp điều kiện kò khí sẽ bắt đầu lên men Đường và chất dinh dưỡng được nấm men hấp thụ sau đó đường được chuyển hoá thành acid pyruvic , là cơ chất đầu tiên để tạo rượu etylic Etylic và CO2 khi được hình thành sẽ thoát ra ngoài khuyếch tán nhanh vào môi trường xung quanh Nhiệt

độ tối ưu cho lên men là 20 – 30oC

rượu etylic acteal cletyd

3.3.Lên men bánh mì:

Làm nở bột mì bằng men bánh mì

Saccharomyces cerevisiae

Nấm men bánh mì với loài chính là Saccharomyces cerevisiae, một nấm đơn bào, được

sử dụng rộng rãi trong việc làm bánh mì và những sản phấm từ bột mì khác, như pizza hay bánh bao Trong quá trình lên men rượu dưới điều kiện yếm khí, nấm men sẽ sản sinh ra rượu etanol và khí cacbonic (CO2) có vai trò làm nở bột mì

3.4.Quá trình lên men pectin nhờ vi khuẩn:

Quá trình phân giải pectin qua 2 giai đoạn:

•Giai đoạn 1: Giai đoạn này sự thủy phân chủ yếu do các enzym Trong nguyên liệu có chứa protopectin và pectin Đầu tiên enzym protopectina sẽ thủy phân protopectin thành

pectin hòa tan và araban Pectin hòa tan tiếp tục được enzym pectinaza thủy phân thành hydratpectin và hydratpectin bị thủy phân tạo thành một loạt các chất hòa tan như phươngtrình tổng quát sau:

 Tuy vậy giai đoạn 1: không sinh năng lượng

•Giai đoạn 2: Vi sinh vật là tác nhân chủ yếu để phân giải các sản phẩm thủy phân trên để tạo ra CO2, H2O và năng lượng

a)Quá trình chuyển hóa acid galacturonic, pentoza, galactoza thành acid

pyruvic.

-Chuyển hóa acid galacturonic:

-Quá trình phân giải pentoza, galactoza thực chất là phân giải glucoza:

Quá trình phân cắt glucoza yếm khí để tạo ra pyruvic gọi là đường phân (glycolysis) Sau đó sẽ oxy hóa hoàn toàn acid pyruvic =>> chuyển hóa pyruvate thành acetyl –CoA =>> oxy hóa acetyl –CoA thong qua chu trình Kreb, chu trinh krebs là con đường trao đổi và tích lũy năng lượng ở sinh vật chung cho cả động vật và thực vật

b)Phân giải CH 3 OH và CH 3 COOH

Vi sinh vật có khả năng phân giải pectin là các loại nấm và vi khuẩn hình que, hình cầu hoặc xạ khuẩn gồm:

+ Một số vi sinh vật yếm khí như: Clostridium pectinovorum, Clostridium felsineum

•Clostridium pectinovorum trực khuẩn, hô hấp yếm khí lên men được tinh bột, glucose, pectin, không lên men được cellulose có bào tử, ưa nóng, nhiệt độ từ 55-600C sử dụng trong xử lý chất thải hữu cơ và trong sản xuất đay bằng ngâm nước

•Clostridium felsineum trực khuẩn gram (+), hô hấp yếm khí, lên men pectin tạo nhiều acid acetic

+ Một số vi sinh vật hảo khí: Nấm Murco Stolonife, nấm Fusarium, nấm Pennicillium, nấm mốc Aspergillusniger,…

3.5.Ứng dụng trong lên men acid acetic:

Hiện nay người ta sản xuất acid acetic chủ yếu bằng phương pháp lên men hay còn gọi là lên men giấm

- Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột phải qua 3 giai đoạn chuyển hoá:

+Giai đoạn chuyển hoá tinh bột thành đường

+ Giai đoạn chuyển hoá đường thành cồn

+Giai đoạn chuyển cồn thành acid

-Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa đường thì chỉ cần qua 2 giai đoạn:

+Giai đoạn chuyển hoá đường thành cồn

+Giai đoạn chuyển cồn thành acid

-Nếu sản xuất từ nguyên liệu đã chứa cồn thì ta chỉ cần tạo điều kiện thuận lợi để vi khuẩn acetic chuyển cồn thành acid acetic

Sản xuất acid acetic theo phương pháp sinh hoá thực chất là quá trình oxy hoá rượu etylicthành acid acetic nhờ một số vi khuẩn acetic khi có mặt của oxi

Lên men giấm là quá trình oxy hoá rượu ethanol thành acid acetic nhờ có enzym alcohol oxydaza xúc tác trong điều kiện hiếu khí:

CH3CH2OH + O2 -> CH3COOH + H2O + 117 Kcal

Để chuyển hoá thành acid acetic, rượu và oxy phải thâm nhập vào tế bào vi khuẩn , ở đâynhờ có enzyme của vi khuẩn xúc tác, rượu được chuyển hoá thành acid acetic theo một quá trình sau:

C2H5OH + ½ O2 -> CH3CHO (Acetaldehyd) + H2O

CH3CHO + H2O -> CH3CH(OH)2 (Hydrat acetaldehyd)

CH3CH(OH)2 + ½ O2 -> CH3COOH + H2O

Acid acetic tạo thành sẽ thoát ra khỏi tế bào của vi khuẩn và đi vào môi trường Khi môi trường hết rượu thì vi khuẩn giấm sẽ oxy hoá acid acetic thành CO2 và H2O theo phương trình sau:

CH3COOH + 2O2 = 2CO2 + 2H2O

Đây chính là sự “quá oxy hoá” rất có hại cho quá trình lên men giấm Vì vậy, trong dịch lên men phải còn dư một lượng rượu khoảng 0,3-0,5% để đảm bảo không bao giờ cho oxy hoá hết rượu nhằm tránh hiện tượng “quá oxy hoá”

Vi khuẩn acetic:là vi khuẩn lấy năng lượng từ quá trình oxy hóa ethanol để tạo thành

acid acetic trong quá trình lên men Hiện nay người ta biết đến hàng chục loài vi khuẩnaxetic thuộc họ Acetobacter Chúng có những đặc điểm chung sau đây:

- Là những trực khuẩn gram âm, không sinh bào tử, hô hấp hiếu khí bắt buộc, xếp đôihay tạo thành từng chuỗi, thường tạo thành lớp màng trên bề mặt, có loài có khả năngchuyển động và có loài không

Trên môi trường đặc vi khuẩn acetic phát triển thành các khuẩn lạc tròn đều đặn,

đường kính khuẩn lạc trung bình khoảng 3 mm, riêng có một số loài có khuẩn lạc nhỏ đường kính d = 1mm, bề mặt trơn bóng, ở giữa khuẩn lạc dày hơn và đậm màu hơn các phần xung quanh

Một số loài khác khuẩn lạc lại lớn hơn đường kính d= 4-5 mm, bề mặt trơn nhẵn không màu, mỏng như những hạt sương nhỏ, có thể dùng que cấy tách ra khỏi môi trường dễ dàng Tuy nhiên cũng có những khuẩn lạc ăn sâu vào môi trường, khó có thể gạt ra bằng

que cấy Vi khuẩn Acetobacter có khả năng chuyển hoá rượu etylic thành axit acetic và

tạo vòng phân giải trên môi trường thạch đĩa có bổ sung CaCO3

Khả năng tạo vòng phân giải trên môi trường thạch đĩa có bổ sung CaCO3 của vi khuẩn Acetobacter

3.6.Lên men metan:

Vi khuẩn sinh metan cũng là những vi khuẩn kỵ khí bắt buộc Chúng chuyển hóa rượu vàaxit hữu cơ thành CH4,CO2 và có thể còn sinh ra một số axit hữu cơ được oxi hóa triệt để.Quá trình sinh metan: 2CH3COOH -> 2CH4 +2CO2

Metan có thể được sinh ra do quá trình khử CO2 dưới tác dụng của chủng

Methanobacterium M.O.H Quá trình lên men này rất đơn giản, chất cho hidro ở đây là hidro phân tử:

CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O

Vi khuẩn sinh metan được chứng minh là loại vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp mạnh mẽ vitamin B12

a)Methanobacterium sp b)Methanospirillum hungath

3.7.Lên men lactic trong sản xuất sữa chua:

Quá trình sinh hoá trong sản xuất yaourt

Quá trình sản xuất ra sữa chua chủ yếu dùng phương pháp lên men lactic Lên menlactic là quá trình hóa sinh đặc trưng của sữa dưới tác động của vi khuẩn lactic lên menđường lactoza có trong sữa để tạo thành axit lactic

Vi khuẩn lactic:

 Lactobacillus bulgaricus (L bulgaricus):

Là vi khuẩn lên men điển hình, phát triển tốt ở nhiệt độ 45 - 500C trong môi trường có

độ axit cao Loài này có thể tạo ra trong khối sữa đến 2,7% axit lactic từ đường lactose

 Streptococcus thermophilus(S thermophilus)

a)Lactobacillus bulgaricus b)Streptococcus thermophilus

Phát triển tốt ở nhiệt độ 500C và sinh sản tốt ở nhiệt độ 37 - 400C Đây cũng là vi khuẩnlactic chịu nhiệt lên men điển hình, có

môi trường axit thấp hơn L bulgaricus

Những vi sinh vật này chịu trách nhiệm trong việc hình thành hương vị và cấu trúc củasữa chua Khối lượng sữa chua đông tụ trong quá trình lên men do pH giảm xuống

- S thermophilus chịu trách nhiệm đối với việc giảm pH lúc đầu khoảng 5.0

- L bulgaricus làm giảm pH xuống thấp hơn nữa (khoảng 4.0)

Những sản phẩm sau quá trình lên men tạo được hương vị của sữa chua:

IV)Tác động đối với cuộc sống:

Sự phân giải các hợp chất cacbon và ứng dụng lên men vi sinh vật,có vai trò và ý nghĩa quan trọng trong ngành công nghiệp và thực phẩm,cung cấp các chế phẩm sinh học,công nghệ lên men sản xuất bia rượu,sản xuất bánh mì,nước hoa quả…Đa số các vi khuẩn,nấmmen,nấm mốc đều có lợi,chỉ 1 số có hại Vi sinh vật giúp chuyển hóa qua lại các chất trong tự nhiên,làm cân bằng vật chất và ổn định môi trường.Bên cạnh đó thì 1 số loài vi sinh vật có hại:gây bệnh ở người,làm hư hỏng thực phẩm do quá trình phân hủy từ vi sinhvật

Tài liệu tham khảo

1).Giáo trình Vi Sinh Vật Học Nguyễn Lân Dũng,Nguyễn Đình Quyến,Phạm Văn Ty,nhàxuất bản năm 2003.trang 265- 279

2). http://s4.zetaboards.com/BioFood_Tech/topic/8690235/1/

3) http://tailieu.vn/tim-kiem/tai-lieu/l%C3%AAn%20men.html

4) Vi Sinh Vật Học Môi Trường - Lê Xuân Phương